一种利用水凝胶仿生涂层实现自清洁油污功能的防火烟道

    王若愚

    我国城市住宅的设计中普遍采用烟道集中排烟方式.不完全燃烧物及油烟容易积聚附着于烟道表面.由于烟囱效应的作用，一旦吸入明火，将会迅速蔓延到整个烟道，引燃靠近烟道的可燃、易燃物品，从而促使火势蔓延扩大.本研究目的是寻找一种材料或制备工艺，使烟道实现不沾油污或具有长期自我清洁除污功能，且满足低能耗、持久性及制备工艺简单低廉等要求，以实现便于推广和大规模生产运用目的.

    一、研究现状

    根据现行国家标准，目前我国烟道材料基本以混凝土夹芯、玻镁板、菱镁板等材料为主，满足1h耐火极限要求.目前国内烟道的构造形式主要有单烟道式、主次式、变压式、止逆阀式和同心圆式等几种.各種构造的设计目的都是基于增加烟气流速、防倒烟等方向，没有从减少内壁油污附着方向考虑.居民用烟道属于上下层多户共用，在没有相关法律法规强制性规定下，很难实现有组织的定期清理.

    烟道内壁的粗糙表面是形成油污沉积的主要原因，民用烟道在建筑使用年限内基本不会更换.方法的选择要从长期发挥效能方向考虑.从实用推广角度考虑，低成本、制造工艺简单是方法选择的重要因素.自然界中很多水生动物的表皮具有不粘附污渍物、非常光滑等特点.通过研究发现其表面不但存在微米级沟槽结构，而且同时自身能够分泌出黏液，这样具有分泌功能的特殊结构能阻止污渍的粘附.

    油具有疏水性，几乎不附着于任何水基表面.如在烟道内壁长期生成一层水膜，油污在水膜表面很难渗入粘附，在重力作用下逐渐脱落，达到自清洁目的.在生活中已得到大量运用、价格低廉的高分子吸水材料吸附水分后形成水凝胶，在凝胶表面可形成水膜式结构.

    本研究模拟在烟道内壁增加聚丙烯酸钠涂层，吸收工作状态下烟道中的水蒸气生成水凝胶层，模拟水生动物表皮黏液层的功能，实现持久性自清洁油污功能，达到消除火灾隐患的目的.

    二、研究方法和结果

    1.涂层制备

    将聚丙烯酸钠和环氧树脂漆按不同组分搅拌均匀后涂在玻镁板表面，静置24小时后，涂层表面已干燥，形成一层亮膜涂层.

    2.水凝胶生成实验

    水蒸气连续喷向涂层面，模拟烟道工作状态.15分钟后，各组分涂层均形成水凝胶表面，持续40分钟后，各组分水凝胶涂层没有开裂现象.

    通过实验发现，环氧树脂漆+聚丙烯酸钠涂层在蒸汽作用下可以形成水凝胶水膜，在长时间高温蒸汽持续压力下没有脱落现象.

    3.油污脱离实验

    刮取油污涂满玻镁板涂层表面;在实验箱内充满蒸汽，模拟烟道工作状态;26分钟后板面水凝胶都形成，油污有汇聚流动现象;30分钟后油污明显向下流动，水凝胶面颜色变浅;35分钟后油污聚拢成条状，水凝胶表面颜色大部分变浅，露出水膜层.

    4.实验结果

    利用高分子吸水材料可以在物体表面制备水凝胶涂层;水凝胶涂层在吸水后形成的仿水生动物表皮黏液可以达到避油效果，实现油污自清洁;因高分子吸水材料的水凝胶形成具有可逆性，在满足涂层力学要求后，可以实现自清洁涂层的持久性功效;水凝胶涂层施工工艺简单，可以实现工厂化大批量生产.

    5.经济性分析

    目前市场上烟道预制件价格为60元/米，工业品聚丙烯酸钠约5000元/吨，环氧树脂漆约10000元/吨.在普通规格烟道内壁喷涂1毫米左右涂层，增加成本约10元/米，在整体建筑造价上完全可以忽略不计.

    三、研究结论

    （1）水凝胶涂层在吸收水蒸气溶胀后表面均能形成水膜层，形成的水凝胶涂层祛油污效果明显.（2）高分子吸水材料涂层形成的水凝胶具有可逆性，可以长期发挥祛油污功效.（3）现有的各种材质烟道内壁喷涂水凝胶涂层后，利用烟道内水蒸气形成水凝胶水膜，可以实现自清洁油污功能，具备防火功效.（4）烟道内壁喷涂水凝胶涂层增加成本较低，完全具有推广价值.（5） 水凝胶含量过高，溶胀后会造成基体开裂，初步实验以2∶8组分以内比例制作聚丙烯酸钠和环氧树脂漆的涂层表面物理特性最理想.但对在工厂化生产中的添加剂组成仍需作进一步研究.